石墨電極高速加工的策略和加工參數(shù)優(yōu)化選擇原則

1 前言
    石墨具有較高的高溫強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)、較好的可加工性和良好的熱、電導(dǎo)率，因此石墨電極廣泛應(yīng)用于冶金、電爐、電火花加工等領(lǐng)域。在電火花加工方面，新型石墨電極材料及其加工技術(shù)的發(fā)展擴(kuò)展了電火花加工的應(yīng)用范圍，提高了其使用性能。
    石墨電極與銅電極相比具有電極消耗小、加工速度快、機(jī)械加工性能好、加工精度高、熱變形小、重量輕、表面處理容易、耐高溫、加工溫度高、電極可粘結(jié)等優(yōu)點(diǎn)。
    盡管石墨是一種非常容易切削的材料，但由于用作EDM電極的石墨材料必須具有足夠的強(qiáng)度以免在操作和EDM加工過程中受到破壞，同時(shí)電極形狀(薄壁、小圓角、銳變)等也對(duì)石墨電極的晶粒尺寸和強(qiáng)度提出較高的要求，這導(dǎo)致在加工過程中石墨工件容易崩碎，刀具容易磨損。因此如何防止工件崩碎、提高表面加工質(zhì)量、降低加工刀具成本成為石墨電極加工的一個(gè)重要問題。
    通常用常規(guī)的車削、銑削、磨削方法可以滿足加工簡(jiǎn)單形狀電極的需求，但近年來(lái)對(duì)電極幾何形狀復(fù)雜性的要求持續(xù)增加。高速加工的高加工表面質(zhì)量和高加工精度使得石墨電極的高速加工已成為模具EDM加工中的一個(gè)熱點(diǎn)，許多生產(chǎn)廠家都已推出了石墨高速加工中心。例如Makino SNC64數(shù)控高速石墨銑床、Rö:ders RFM系列機(jī)床等，主軸轉(zhuǎn)速通常在10000～60000r/min，進(jìn)給速度可達(dá)60m/min 以上，加工壁厚小于1mm，最小圓角半徑小于0.2mm。
    由于EDM石墨電極高速加工仍屬一種新的工藝，不同石墨材料加工性能也各不相同，對(duì)于石墨電極高速加工中的工件崩碎、刀具磨損、加工策略等問題，國(guó)內(nèi)極少有文獻(xiàn)提及。本文介紹了日本、德國(guó)等在高性能石墨電極材料機(jī)械加工方面的研究成果，包括石墨電極材料的切削機(jī)理、切削溫度、刀具磨損、切屑處理等方面的基本理論，以及石墨電極高速加工策略、加工參數(shù)選擇等內(nèi)容。
2 石墨電極高速切削過程
    Masuda(1996)用高速攝影觀察了燒結(jié)碳(2000℃以下燒結(jié))和石墨(2500℃以上燒結(jié))的車削過程(圖1)，認(rèn)為兩者的切屑形成過程大致是:在刀具切削刃與工件接觸時(shí)，產(chǎn)生了一條裂紋擴(kuò)展，工件的一部分因刀具推進(jìn)發(fā)生破碎，形成切屑。碳相材料切削時(shí)的大多數(shù)裂紋向下擴(kuò)展，切屑散落于刀具表面或堆積在前刀面：石墨切削裂紋沿切削方向擴(kuò)展，大多數(shù)切屑沿前刀面滑動(dòng)，因而產(chǎn)生刀具月牙洼磨損。
    Kö:nig(1998)在研究石墨高速銑削過程后認(rèn)為:石墨切屑的形成與陶瓷等脆性材料有很大相似之處，在刀尖處有擠壓破碎，形成細(xì)小切屑和細(xì)小凹坑，切削產(chǎn)生的裂紋會(huì)向刀尖前下方延伸擴(kuò)展，再擴(kuò)展到自由表面，形成斷裂凹坑，并可用斷裂力學(xué)來(lái)解釋：切屑與刀具前刀面的接觸狀態(tài)分  為切削接觸沖擊區(qū)和切屑沿前刀面的滑移區(qū)，它們分別導(dǎo)致不同的刀具磨損形態(tài)
    影響切削過程的因素主要有:切削速度、切削進(jìn)給量、刀具幾何參數(shù)、工具材料和刀具磨損。
石墨電極高速切削的切削力和切削溫度
    石墨電極材料的切削力只有切削鋁、銅等韌性金屬的10%左右，因此切削力通常不是研究的重點(diǎn)。而實(shí)驗(yàn)測(cè)得石墨材料的車削溫度均不高，在Vc =500m/min 左右時(shí)，最高溫度在160～300℃之間，且與切削速度呈線性關(guān)系。據(jù)此推論，即使Vc = 500m/min，切削溫度也不會(huì)超過500℃，對(duì)切削過程的影響不太大
3 石墨電極高速加工刀具磨損
    刀具磨損是石墨電極加工中最重要的問題。磨損量不僅影響刀具損耗費(fèi)用、加工時(shí)間、加工質(zhì)量，而且影響電極EDM加工工件材料的表面質(zhì)量，是優(yōu)化高速加工的重要參數(shù)。
石墨電極高速加工刀具磨損機(jī)理
    石墨電極材料加工的主要刀具磨損區(qū)域?yàn)榍暗睹婧秃蟮睹�。在前刀面上，刀具與破碎切屑區(qū)的沖擊接觸產(chǎn)生沖擊磨粒磨損，沿工具表面滑動(dòng)的切屑產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦磨損。
    前刀面沖擊磨損 切屑顆粒在刀具前刀面產(chǎn)生的沖擊有兩種形式，一種是與前刀面呈一定角度的沖擊，這種沖擊導(dǎo)致表面層脫落或剝落：另一種是切削沖擊，即石墨切屑在刀具前刀面產(chǎn)生微切削，最大切削溝痕寬度達(dá)150nm，沖擊區(qū)磨損形成了前刀面月牙洼磨損
    前刀面滑動(dòng)區(qū)刀具磨損 在前刀面的滑動(dòng)磨損區(qū)，石墨碎屑對(duì)前刀面有一定的保護(hù)作用。后刀面磨損主要是刀具后刀面與已加工表面的機(jī)械摩擦磨損。
    工件材料:EK85：晶粒尺寸:13µm：刀具:立銑刀，D=12mm，Z=2：切削條件:fz=0.05mm，ap=3mm，ae=12mm
切削速度與刀具材料對(duì)刀具磨損的影響
影響高速加工刀具磨損的因素
    切削速度 切削速度增大，雖然大塊斷裂面積增加，但KT減小，KB大致不變，同時(shí)月牙洼磨損截面積減小。隨著切削速度的增大，在摩擦面生成的石墨潤(rùn)滑膜增厚，表面磨損系數(shù)減小，所以刀具磨損下降很快，這也是采用高速加工石墨優(yōu)越性的一個(gè)重要原因。
    刀具材料 刀具材料對(duì)沖擊磨損量的影響很大。一般刀具材料HV提高，則KT下降。刀具材料對(duì)刀具磨損的影響 
    硬質(zhì)合金刀具加工石墨電極材料時(shí)的磨損機(jī)理:在滑動(dòng)區(qū)因微切削和表面疲勞破壞產(chǎn)生磨損：最終導(dǎo)致刀具粘結(jié)相(Co)磨粒磨損和耐磨損相(WC)的磨損、產(chǎn)生裂紋和斷裂脫落。增大WC 的顆粒尺寸和減小Co 相的顆粒尺寸，可使刀具磨損下降。刀具表面有時(shí)會(huì)有石墨粘結(jié)。
    聚晶金剛石刀具磨損是由石墨切屑對(duì)結(jié)合相的磨損以及金剛石破碎后引起的二次磨粒磨損組成。刀具表面通常有一層粘附石墨形成的潤(rùn)滑膜，其耐磨性是硬質(zhì)合金K10的1～2倍。
    金剛石薄膜刀具表面通常有強(qiáng)烈的石墨粘附，并有金剛石表面損傷破碎，沒有月牙洼磨損。它屬于宏觀沖擊磨損，而不是機(jī)械磨料磨損。涂層基體硬質(zhì)合金表面處理效果影響涂層效率，也對(duì)刀具壽命有很大影響。金剛石薄膜刀具的壽命可達(dá)K10的100倍，并優(yōu)于PCD刀具。
    硬質(zhì)合金涂層刀具(TiN等)可顯著改善刀具耐磨性。 
    Al2O3陶瓷刀具并不適合切削石墨材料。
   工件材料:EK85：晶粒尺寸:13µm：刀具:平底立銑刀，D=12mm，Z=2：刀具材料:硬質(zhì)合金K10：磨鈍標(biāo)準(zhǔn):VB=0.1mm
進(jìn)給量和銑削寬度與刀具磨損的關(guān)系
    刀具:平底立銑刀，D=6mm，Z=2：刀具材料:硬質(zhì)合金K10：磨鈍標(biāo)準(zhǔn):VB=0.12mm：切削條件:Vc=600m/min，fz=0.06mm，ap=6mm，ae=1mm
刀具角度對(duì)刀具磨損的影響
    刀具:平底立銑刀，D=6mm，Z=2：刀具材料:HM K10：切削條件:fz=0.05mm，ap=3mm，ae=12mm 
石墨電極材料對(duì)刀具磨損的影響
    進(jìn)給量 提高銑刀每齒進(jìn)給量，KB、KL、KT均增大。增加每齒的切削寬度，即增加了平均切屑厚度，因此切削沖擊上升，刀具磨損上升。銑削寬度大于銑刀半徑后切削狀況的改變。
    刀具角度 刀具前角增大，改變了切屑顆粒沖擊角度，KT下降，但KB變化不大：后角增大，則刀具鋒利性增大，后刀面磨損減�。褐髌�角的變化，改變了切削受力方向和實(shí)際切削面積，因此隨著主偏角增大，刀具磨損也下降，刀具耐用度得到提高
    石墨電極材料 石墨電極材料對(duì)刀具磨損有很大影響。如圖8所示，高速加工時(shí)石墨晶粒尺寸越小，刀具壽命越高，刀具壽命大致與抗彎強(qiáng)度和肖氏硬度呈正比。此外石墨電極材料石墨化程度及浸漬材料成分、填充材料粒度，也對(duì)刀具磨損有一定的影響。
    刀具結(jié)構(gòu) 高速銑削常用球頭銑刀和平底銑刀進(jìn)行加工。當(dāng)采用球頭立銑刀加工曲面，其切削速度從外到里是下降的，因此刀具頂部易于磨損。平底立銑刀可加工臺(tái)階輪廓，加工余量波動(dòng)強(qiáng)烈，加工出的工具輪廓波動(dòng)使精加工刀具受到強(qiáng)烈損害。相同條件下這兩種刀具比較，平底立銑刀的切削距離比球頭立銑刀的長(zhǎng)。
    銑削方向 在高速銑削加工中銑削加工方向是十分重要的。相同條件下進(jìn)行順銑和逆銑加工時(shí)，由于破碎顆粒量的不同以及刀具實(shí)際切入沖擊的不同，刀具壽命也不相同，逆銑的刀具壽命高于順銑刀具壽命(圖9)。
    工件材料:V1364：粒度:7µm：刀具:平底立銑刀，D=6mm：刀具材料:硬質(zhì)合金K10：切削條件:Vc=600m/min，fz=0.074mm，ap=3mm，ae=0.35mm，Rth=5µm
銑削方向?qū)Φ毒吣�損的影響
    機(jī)床費(fèi)用:200DM/h：換刀時(shí)間:30s：工件材料:EK85：晶粒尺寸:13µm：切削條件:fz=0.05mm，ap=3mm，ae=12mm：磨鈍標(biāo)準(zhǔn):VB=0.1mm 
典型刀具材料粗加工成本
4 石墨電極銑削加工策略
基本原則
    傳統(tǒng)電加工工藝中電極垂直運(yùn)動(dòng)，因此相應(yīng)的三軸銑削加工寬度不受限制。在NC控制的電火花機(jī)床上，為滿足一些特殊要求，可進(jìn)行多軸和垂直進(jìn)給電火花加工。電極幾何參數(shù)是很復(fù)雜的，難以根據(jù)幾何形狀分類，可根據(jù)型腔表面特征大致分為兩類:1)自由表面成形電極:有圓角調(diào)節(jié)面，無(wú)銳利腔體和邊角，可使用球頭銑刀加工，銑削加工路徑長(zhǎng)，耗時(shí)多：2)棱柱面電極:由棱柱面構(gòu)成，無(wú)圓角，有最簡(jiǎn)單的彎曲面、柱面和銳角邊，通常可使用平底立銑刀加工。
    石墨高速加工的經(jīng)濟(jì)性關(guān)系到切削和磨損機(jī)理的影響，因此有必要針對(duì)刀具和加工工具幾何特性、機(jī)床、切屑處理等對(duì)切削參數(shù)、加工策略等進(jìn)行優(yōu)化。
加工條件的優(yōu)化
    前面詳細(xì)分析了影響石墨的加工機(jī)理和刀具磨損的若干因素，下面簡(jiǎn)要闡述如何優(yōu)化加工條件。
    刀具材料 粗加工時(shí)，切削速度越高，刀具磨損越小，加工成本也越低。當(dāng)切削速度大于900m/min時(shí)，硬質(zhì)合金刀具、金剛石涂層刀具和聚晶金剛石刀具的單位切削長(zhǎng)度所需成本差別不大。因此推薦在低速切削時(shí)使用涂層金剛石刀具(圖10)。精加工時(shí)，計(jì)算每刀刃刀具成本時(shí)，金剛石涂層刀具最好，聚晶金剛石刀具次之，硬質(zhì)合金刀具最差：但若計(jì)算單個(gè)刀具成本，由于聚晶金剛石刀具有較好的重刃磨性，因此聚晶金剛石刀具的刀具成本最低。推薦小直徑刀具使用金剛石涂層刀具，此時(shí)加工最經(jīng)濟(jì)。
    刀具幾何參數(shù) 刀具前角、后角的增大，可增大容屑空間。粗加工時(shí)，前角在6°左右較好，后角應(yīng)小于15°，刀具主偏角與側(cè)刃磨損無(wú)關(guān)。精加工時(shí)，前角在6～10°之間較好，盡管主偏角大時(shí)刀具磨損量下降，但這會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度波動(dòng)量增大，因此主偏角小于30°較好，太大則不適于精加工。
    切削參數(shù) 每齒切削量與刀具磨損相關(guān)，而進(jìn)給量和切削速度的最大值與機(jī)床特性有關(guān)，同時(shí)刀桿承載和細(xì)刀桿加工時(shí)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)也與機(jī)床性能有關(guān)。切削參數(shù)選擇原則為:1)根據(jù)機(jī)床、刀具夾頭等給定條件確定刀具齒數(shù)，防止刀具振動(dòng)：2)在切削刀具強(qiáng)度、切削深度和切削寬度范圍內(nèi)，計(jì)算最大許可每齒進(jìn)給量：3)依據(jù)機(jī)床進(jìn)給和機(jī)床進(jìn)給加速度特性，在恒定每齒進(jìn)給量時(shí)確定最大切削主軸轉(zhuǎn)速：4)最終選定穩(wěn)定的最大主軸轉(zhuǎn)速，并使之與每齒進(jìn)給量相適應(yīng)。
    車削加工時(shí)推薦聚晶金剛石刀具的加工參數(shù)為:粗加工時(shí)Vc=200～400m/min，fz=0.02～0.04mm/齒，切削深度小于1.5mm：精加工時(shí)Vc=25～100m/min，fz=0.02～0.1mm/齒，切削深度小于0.5mm。
石墨電極高速加工策略
    石墨電極高速粗加工和精加工的策略是不同的。一般粗加工應(yīng)為精加工留較少的余量，所以在使用小直徑刀具時(shí)，應(yīng)采用高進(jìn)給(切削進(jìn)給和走刀進(jìn)給)。在使刀具磨損量最小化的前提下，獲得高的單位切削體積和單刀刃有效切入量，殘余切削量要滿足精加工的要求：精加工的目標(biāo)是以最短的加工時(shí)間獲得最高的加工質(zhì)量，應(yīng)使最佳表面質(zhì)量與最小刀具磨損量之比最佳化。加工時(shí)應(yīng)提高加工速度、縮短加工時(shí)間，使切入量變化引起的加工過程不穩(wěn)定最小化，使刀具壽命最大化。
自由表面成形電極的高速加工策略主要是優(yōu)化考慮了局部加工余量的切削加工路徑。
工件材料:EK85：石磨粒度:13µm：刀具:球頭銑刀，D=10mm，Z=2 
輪廓銑削與仿形銑削的比較
    工件材料:EK85：晶粒尺寸:13µm：石墨粒度:D=6mm，Ik=50mm：刀具材料:硬質(zhì)合金K10：切削條件:Vc=600m/min，fz=0.044mm，Rth=10µm
拉銑和鉆銑精加工策略 
加工實(shí)例
粗加工
    通常石墨電極是在整塊材料上進(jìn)行的，加工余量很容易描述，其加工目標(biāo)就是在最短時(shí)間內(nèi)切除最大量的材料。粗加工可以采用仿形銑削或輪廓銑削的方式(圖11)。仿形銑削采用球頭銑刀，切削深度和切削寬度均在變化中，切削深度小，刀具磨損快，加工時(shí)間長(zhǎng)：輪廓銑削采用平底銑刀，加工時(shí)間短，刀具磨損小。在輪廓銑削中，可沿包絡(luò)線軌跡進(jìn)行銑削，即以之字形對(duì)加工面進(jìn)給銑削后再加工，切削寬度固定，沒有太多的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過快速加速可達(dá)到很大的進(jìn)給量。沿輪廓軌跡加工則是采用傳統(tǒng)的加工方法，對(duì)局部的輪廓面依次加工。粗加工工藝的優(yōu)劣取決于根據(jù)工具表面輪廓曲線函數(shù)進(jìn)行的NC 編程，使得可沿包絡(luò)等高線進(jìn)行快速、簡(jiǎn)易的銑削加工。
精加工
    精加工應(yīng)使加工穩(wěn)定，有較小的形狀誤差和良好的表面質(zhì)量，同時(shí)刀具磨損量小。刀具磨損和加工成本是主要考慮的因素。在精加工中，對(duì)彎角的處理要考慮銑削方向?qū)�加工精度和表面質(zhì)量的影響，后者與刀具承載和機(jī)床振動(dòng)等有關(guān)。在沿曲面進(jìn)給銑削時(shí)會(huì)出現(xiàn)拉銑(向上走刀)或鉆銑(向下走刀)現(xiàn)象，刀具的變形會(huì)導(dǎo)致工件輪廓偏差(圖12)。鉆銑的輪廓偏差小于拉銑加工，而逆銑加工輪廓偏差也優(yōu)于順銑。因此考慮到刀具質(zhì)量的臨界條件和加工過程穩(wěn)定可靠性，沿平面輪廓銑削時(shí)的最佳策略應(yīng)是采用逆銑和平面輪廓銑削的組合。此外在順銑時(shí)，包絡(luò)等高線銑削的切削刀具壽命大于鉆銑加工，逆銑時(shí)兩者差不多。
棱柱面加工
    棱柱面加工的主要問題是模具局部邊角的斷裂，應(yīng)主要考慮切削力的作用方向。下面以底板和立板各邊為例。
    加工底板邊 順銑時(shí)表面粗糙度變化不大，底邊角邊質(zhì)量好，但逆銑時(shí)表面粗糙度值變大，底邊角邊質(zhì)量下降(圖13a)。為獲得高質(zhì)量邊角，應(yīng)先對(duì)其邊進(jìn)行順銑加工。
    加工立板 兩側(cè)邊在順銑時(shí)受力方向各不相同，即一邊是壓入，一邊是壓出(圖13b)。因此實(shí)際進(jìn)給方向在切削各邊角時(shí)必須有所改變。
加工立板頂面邊角 應(yīng)通過改變逆銑時(shí)的切入點(diǎn)位置使切入位置可避免工件角邊破碎。刀具角度如主偏角等對(duì)這種崩邊有很大影響，一般控制在30°左右。
    為了防止加工過程中產(chǎn)生缺角，還可采取以下措施:(1)在電極加工前先在加工液中浸泡：(2)使用耐磨性好的刀具：(3)采用順銑(向下走刀)的方法進(jìn)行加工：(4)切削時(shí)減少刀具的切入量：(5)切削刀具的螺距切入量小于刀具直徑的1/2：(6)加工兩端部時(shí)進(jìn)行減速加工：(7)加工下方時(shí)使用墊板增強(qiáng)終端面的剛性：(8)在對(duì)上面的彎曲部與側(cè)面之間的角部進(jìn)行加工時(shí)，如果容易產(chǎn)生細(xì)小裂縫，則應(yīng)在完成上面彎曲部的加工后，再對(duì)側(cè)面進(jìn)行精加工。
切屑處理
    盡管石墨是一種很穩(wěn)定的材料，對(duì)人體健康沒有直接不良影響，用肥皂很容易清洗干凈。但是石墨切屑可能以粉塵、污染物等形式影響環(huán)境安全，此外粉塵也對(duì)人體有害。因此加工時(shí)最好使用吸塵設(shè)備和口罩。
    切屑形態(tài)是通過粉屑、斷裂切屑以及所使用的切削介質(zhì)來(lái)影響刀具磨損的。研究表明:濕切削時(shí)的石墨顆粒是由流動(dòng)導(dǎo)致刀具磨損的，而外部吹風(fēng)的干切削刀具壽命高于普通干切削加工。強(qiáng)烈吹風(fēng)可避免石墨顆粒的二次磨損。加工浸漬電解質(zhì)后的石墨時(shí)，刀具磨損急劇下降。
    此外必須高度重視石墨粉末的清理，應(yīng)配有將精加工石墨粉吸入潮濕裝置的設(shè)備，在粗加工時(shí)則要有清潔循環(huán)并間斷地過濾。